聚焦离子束小论文

精密超精密加工技术论文

——聚焦离子束加工原理及其应用

指导老师： 赵岩（副教授）

作者： 某某

专业： 机械制造及自动化

学号： S

聚焦离子束加工原理及其应用

某某

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（1.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）

摘 要：聚焦离子束(FIB)技术是利用离子束对零件进行特种加工的技术，在微细加工领域具有广泛应用，并且

随着光学器件和特种零部件逐渐小型化，FIB及其应用将会被更加重视。本文简述了聚焦离子束系统组成和主

要功能，着重介绍了FIB技术在离子束抛光、反应离子束刻蚀、离子束沉积薄膜、电路修改、离子注入表面改

性、离子束辅助气相沉积中的应用。

关键词：聚焦离子束；微细加工；应用；离子束注入

1 聚焦离子束的工作原理

聚焦离子束，（简称FIB技术）是利用静电透镜将

离子束聚焦成极小尺寸的显微切割技术，目前商

用 FIB系统的粒子束是从液态金属离子源中引

出 。由于镓Ga元素具有低熔点、低蒸汽压以及

良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属

材料多为镓。图（1-1）给出了聚焦离子束系统结

构示意图。

光子发射和化学键的断裂、分子的离解等,这也决

定了离子束在加工中可以实现多种功能。

2 聚焦离子束的应用

2.1 离子束抛光

2.1.1离子束抛光原理

溅射现象，即具有一定能量的离子入射到固

体表面上时，离子将同表面浅层内的原子不断地

进行碰撞，在碰撞中将一些动量和能量传递给表

面浅层原子。获得动量和能量的原子由于周围原

子的限制，只能在原位置附近作振动，并将能量

和动量传青铜器纹饰 递给周围的原子，形成一系列原子的级

联运动。如果某一做级联运动的原子具有指向固

体表面的动量，并且其动能大于从它的位置移动

到表面所需要克服的晶格位移能和从表面脱离所

需要的表面结合能时，它将从固体表面发射出去，

这种现象称为溅射。

2.1.2离子束抛光特点

图1 聚焦离子束系统结构示意图

在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源，

离子源大部分采用液态金属，还有少部分采用气

体场离子，液态金属离子又分为单元素离子源和

合金离子源。前者主要有镓离子，铯离子。可使

液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场牵

引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通

过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径可决定

离子束的大小。而后用质量分析器筛选出所需要

的离子种类，最后通过偏转装置及物镜将离子束

聚焦在样品上并扫描，样品受到离子束的激发,

样品发出的二次信号被收集、放大即可在显示器

上形成样品表面形貌的二次电子像，通过计算机

辅助系统对样品的加工进行编程。离子束轰击样

品，并与样品材料中电子和原子发生物理、化学

作用，如材料中原子的离化、溅射、电子发射、

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离子束对工件没有压力，不会引起工件表面

的压力变形。离子束在加工过程中不会像传统刀

具一样出现磨损；离子束抛光是对工件表面材料

在原子级别上的去除，加工精度高；准备时间较

长、使工件表面产生热变形、膨胀系数较高的脆

性材料不能用离子束来加工、对零件的面形精度

要求高。

离子束加工需要抽真空，准备时间较长；对

零件的面形精度要求高。

2.2反应离子束刻蚀

2.2.1刻蚀原理

为了提高离子束刻蚀的速率和离子束刻蚀对

不同材料的选择性,通常在刻蚀过程中在气体注

入系统中加入一定量的刻蚀气体以增强刻蚀。其

基本原理就是用高能离子束将不活泼的辅助刻蚀

气体分子(如卤化物气体)变成活赵雷个人资料 性原子、离子和

自由基，这些活性基团与样品材料发生化学反应的区域，当聚焦离子束的高能离子作用在该区域

生成挥发性物质，脱离样品后被真空系统抽走，时就会使有机物发生分解，分解后的固体物质被

从而实现快速刻蚀。 沉积下来。当离子缓解英语 束按一定的图形扫描时，即可

2.3离子束注入

离子注入是利用聚焦离子束系统(FIB)中离

子能量较高的特点(数万电子伏以上)，将离子注

入基底并与基底材料合成所需的化合物。

比如，利用合金液态金属离子源(如

AuSiBe-LMIS、CoNe-LMIS)聚焦离子束系统(配有

质量分析器)可以选择不同的离子注入(如Au、Si、

B、As、Ga、In等离子)同一样品，从而在一定范

围内形成特定的掺杂或具有特定物化性质的薄

膜。

强度和硬度是金属表面改性的重要研究参

数。大量的实验和研究表明：离子注入可以不同

程度的提高金属材料表面的强度和硬度；金属表

面的硬度和强度随着注入剂量的增加而增加。当

金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时，可

在金属中析出碳化物、氮化物、磷化物等弥散相

和超硬相，在近表面形成TiC，TiN，Fe2Ti，Fe2N

和Fe2C，表面洛氏硬度得到提高。

形成特定的三维微结构图形，这一特点已在微机

械系统的加工中应用。

图3 FIB所加工的三维微结构图形

如图（3）利用聚焦离子束辅助化学气相沉积

技术(FIB-CVD)精确制备出了微米量级的三维立

体结构，如酒杯、线圈等。

高度集成的IC芯片通常包含几百万甚至上

亿个晶体管及其连线，设计这样复杂的系统难免

会有疏漏差错，电路设计一旦变成实际的芯片就

无法再改变运用FIB的射与沉积功能，可以将某

一处的连线断开，或将某处原来不相接的部分连

接。

2.5高分辨率扫描离子显微成像

聚焦离子束的成像原理与扫描电子显微镜基

本相同，都是利用探测器接收激发出的二次电子

来成像，不同之处是以聚焦离子束代替电子束。

聚焦离子束轰击样品表面，激发出二次电子、中

性原子、二次离子和光子等，收集这些信号，经

处理显示样品的表面形貌。目前聚焦离子束系统

的成像分辨率已达5 nm～ 10 nm。

由于离子束较难聚焦，与扫描电子显微镜

(SEM)相比，SIM的空间分辨率要差一些。目前

离子束宽已经缩小了很多(从最初的3微米减小到

近期的5纳米-10纳米)，这个不足己经得到很好

的弥补。

2.6离子束辅助EB-PVD

蒸发枪对陶瓷棒料进行蒸发，棒料在电子束

作用下温度逐渐升高，从而熔化、沸腾直至蒸发，

蒸气在工件上凝聚，冷却形成涂层。工件在水平

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图2 实验组 图3 对照组

生物离子注人技术是具有中国自主知识产权

的原始创新生物品种改良技术。它的基本原理是

利用低能离子与生物体作用产生辐射损伤，从而

诱导产生可遗传变异。被用于生物品种改良的试

验。低能离子注人技术具有生理损伤小、突变谱

广、突变频率高等优点，并具有一定的重复性和

方向性。同时，由于它的刻蚀和沉积作用，也可

用于转基因介导。

图2，图3为N+离子注入对黑曲霉孢子形态

的影响的对照实验。扫描电镜观察北京爬山 表明，对照组

孢子显猢狲状，顶凹陷，表面粗糙而不光润；而

突变株孢子形状类似离子机转子，上端直径较下家常牛肉

端略小，略扁平，基本上呈圆形，并且表面光滑,

中间略有凹陷。

2.4离子束辅助气相沉积

高能离子束诱导沉积金属膜和介质膜(如Pt、

W、SiO2等)的基本原理就是将一些金属有机物气

体通过气体注入系统喷涂在样品上需要沉积薄膜

轴上旋转，预热枪发射电子束对沉积工件进行加

热。离子源在电子束蒸发的同时科举考试内容 产生离子束对工

件进行轰击，涂层在生长过程中由于受到离子束

的干扰，从而实现对涂层微观结构的调控。

与传统EB-PVD技术比，离子束辅助

EB-PVD技术的优势是：涂层的热导率低、隔热

效果好，涂层的使用寿命高，涂层的沉积温度低。

3 展望

随着集成电路器件尺寸的减小和密度的增

加，现有在线和离线分析设备受到了诸多挑战。

一方面，集成电路工艺进入深亚微米领域，器件

结构日趋复杂，且对超净的要求进一步提高，对

分析设备的空间分辨率和杂质探测灵敏度等指标

提出了更高的要求；另一方面，微电子行业激烈

的竞争，产品更新换代速度不断加快，要求整套

分析系统在更短的时间内完成获取信息、分析结

果并进行改进等。

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